陜西黃帝陵跨坐式單軌觀光線牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張明銳 張海龍 曾國(guó)鋒 王國(guó)強(qiáng)

(1. 同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院， 201804， 上海；2. 同濟(jì)大學(xué)磁浮交通工程技術(shù)研究中心， 201804， 上海//第一作者， 教授)

0 引言

國(guó)內(nèi)景區(qū)多采用電瓶車、無軌電車、公交車來疏運(yùn)游客，這些交通方式運(yùn)量小、安全性較低。為保障游客安全，提升景區(qū)交通運(yùn)輸能力，解決旅游旺季游客出入難的問題，國(guó)內(nèi)已有西安曲江、北京雙龍峽、深圳歡樂谷等多個(gè)景區(qū)建設(shè)了觀光火車。

根據(jù)陜西黃帝陵觀光項(xiàng)目需要，配套建設(shè)一套觀光火車交通系統(tǒng)。各種用于景區(qū)觀光的交通制式比較見表1[1-3]。陜西黃帝陵觀光項(xiàng)目選擇了跨坐式單軌交通，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為：①適宜山區(qū)小轉(zhuǎn)彎半徑、坡度大的特殊環(huán)境;②維護(hù)簡(jiǎn)單、對(duì)景觀影響小;③獨(dú)立于地面交通，安全性較高。該系統(tǒng)主要用于游客集散中心至黃帝陵景區(qū)的短途接駁；在旅游淡季，兼?zhèn)淇h內(nèi)交通運(yùn)輸?shù)墓δ堋Ｒ环矫娼鉀Q了景區(qū)的交通疏散問題，同時(shí)提升了縣域的交通能力。

表1 各種用于景區(qū)觀光的交通制式比較表

1 黃帝陵觀光線線路概況

黃帝陵觀光線(見圖1)全長(zhǎng)10.6 km，其中并線段為4.9 km。為了不影響黃陵縣交通，全線采用高架，沿沮河走行。全線設(shè)置黃帝陵和游客中心2座車站以及1個(gè)控制維修中心(位于黃帝陵車站)。

2 黃帝陵觀光線供電系統(tǒng)方案

2.1 外部電源供電方式

圖1 黃帝陵觀光線工程線路圖

方案一：采用集中式供電，引入兩路10 kV電源。中壓網(wǎng)絡(luò)采用10 kV電纜全線貫通，中間采用環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，當(dāng)一路電源退出運(yùn)行時(shí)，由另一路電源支援供電。其優(yōu)點(diǎn)是外界干擾少、供電能力強(qiáng)，能滿足大容量用電的需求。其缺點(diǎn)是占地面積大、工程總投資較高、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性較差。

方案二：采用分散式供電，每一個(gè)牽引變電所引入一路10 kV電源。中壓網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，一路電源退出運(yùn)行時(shí)，相鄰電源支援供電。其優(yōu)點(diǎn)是無需建設(shè)主變電所，牽降變電所的電源全部由電業(yè)部門提供。其缺點(diǎn)是電源引入較多，協(xié)調(diào)及電源建設(shè)不確定因素較多。

集中式供電受外界干擾小、可靠性較高，因此黃帝陵觀光線外部電源采用集中式供電方案，由游客中心站和黃帝陵站引入兩路10 kV電源，中壓網(wǎng)絡(luò)采用單環(huán)網(wǎng)接線方式，如圖2所示。

圖2 黃帝陵觀光線外部電源供電方案

2.2 車輛選型

設(shè)計(jì)初期，為了縮短發(fā)車間隔，工程線路采用環(huán)線，線路兩頭設(shè)計(jì)為圓形“燈泡線”。正常情況下，列車無需入庫，只有在檢修時(shí)才進(jìn)入車庫，能夠大大縮短發(fā)車間隔。雖然“燈泡線”的設(shè)計(jì)避免了入庫影響列車發(fā)車間隔的問題，但隨之而來的是小轉(zhuǎn)彎半徑問題(兩端“燈泡線”的曲線半徑為35 m)，因此，在車輛選型時(shí)需選用能在轉(zhuǎn)彎半徑較小的線路上運(yùn)行的車輛。

黃帝陵地區(qū)的游客數(shù)量呈現(xiàn)季節(jié)性變化，清明、國(guó)慶、春節(jié)節(jié)假日期間游客較為集中。根據(jù)黃陵縣政府網(wǎng)站發(fā)布的游客數(shù)據(jù)顯示，2015年“十一”黃金周黃帝陵景區(qū)共接待海內(nèi)外游客113 648人，僅國(guó)慶節(jié)當(dāng)天景區(qū)就接待游客9 594人。因此在車輛選型時(shí)，還需考慮其運(yùn)量是否能夠滿足旅游旺季的交通需求。選用車輛參數(shù)如表2所示。

表2 車輛參數(shù)

列車行車組織如表3所示。由表3可見，車輛適用線路的最小轉(zhuǎn)彎半徑符合黃帝陵工程參數(shù)要求。當(dāng)發(fā)車間隔為3 min、列車數(shù)量為12列時(shí)，全天運(yùn)量為10 080人，能夠滿足節(jié)假日客流高峰期的運(yùn)能需求。

2.3 接觸軌選型

黃帝陵觀光線供電制式為DC 630 V，若采用接觸網(wǎng)供電，會(huì)大大影響黃帝陵景區(qū)的景觀。為了降低對(duì)景區(qū)沿線景觀的影響，選擇了接觸軌供電方式。接觸軌材料的電阻直接影響著全線接觸軌電壓降，其耐流值決定著同一區(qū)間內(nèi)可同時(shí)啟動(dòng)的最大列車數(shù)。因此，接觸軌的選型需和牽引變的數(shù)量、發(fā)車間隔等因素同時(shí)考慮。表4為不同類型的接觸軌參數(shù)。

表3 黃帝陵觀光線列車行車組織

表4 接觸軌參數(shù)

從表4中可看出，C型軌和工字軌都具有較高的耐流值和較低的電阻，但是它們都存在成本較高、截面積大、可彎曲程度小、不適宜小轉(zhuǎn)彎半徑線路、需要單獨(dú)安裝安全防護(hù)罩等問題。故在設(shè)計(jì)時(shí)選用了延展性好、無需安裝安全防護(hù)罩的鋼鋁復(fù)合安全滑觸線。安全滑觸線安裝示意圖如圖3所示。

單位：mm

a) 設(shè)計(jì)圖

b) 實(shí)物照片

2.4 牽引變電所位置及容量

黃帝陵觀光線參考了地鐵建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，采用DC 1 500 V供電時(shí)，牽引變電所的間距一般設(shè)置為3～4 km；采用DC 750 V供電時(shí)，牽引變電所間距一般設(shè)置為1～2 km[5]。考慮到黃帝陵觀光線供電采用的是DC 630 V，因此牽引變電所間距設(shè)置應(yīng)與采用DC 750供電時(shí)的相當(dāng)，以保證列車的正常起動(dòng)。

方案一：全線設(shè)置3個(gè)牽引變電所，每隔約1.35 km設(shè)置1個(gè)牽引變電所，黃帝陵站和游客中心站不設(shè)牽引變電所。選取型號(hào)為081319的安全滑觸線，進(jìn)行牽引供電仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5、表6所示。

方案一電壓降基本能夠滿足GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，較為理想。經(jīng)實(shí)地考察，游客中心站設(shè)有車輛維修庫，且后期需和黃帝陵站同時(shí)建設(shè)商業(yè)中心，需要設(shè)置牽引降壓混合變電站；如果直接在站點(diǎn)增加2個(gè)牽引降壓混合變電站，將會(huì)使全線供電系統(tǒng)成本增加10%～20%。

表5 方案一牽引供電仿真計(jì)算(正常供電)

表6 方案一牽引供電仿真計(jì)算(任一牽引變電所解列)

方案二：全線設(shè)置4個(gè)牽引降壓混合變電所(見圖1中4個(gè)白色實(shí)心圓點(diǎn))，在黃帝陵站和游客中心站各設(shè)1個(gè)，另外2個(gè)等間距設(shè)置在線路中。牽引供電仿真計(jì)算結(jié)果如表7、表8所示。

表7 方案二牽引供電仿真計(jì)算(正常供電)

表8 方案二牽引供電仿真計(jì)算(任一牽引變電所解列)

參照GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)于觸網(wǎng)電壓波動(dòng)的要求，采用DC 630 V供電時(shí)，任一點(diǎn)觸網(wǎng)電壓應(yīng)不低于DC 419 V。從表7、表8的數(shù)據(jù)來看，方案二能夠較好地滿足要求。按照黃帝陵觀光線路的需求，兩個(gè)站點(diǎn)空間較大，用電也較大，可設(shè)置牽引降壓混合變電所。沿途為河道，可利用的空間較小，可設(shè)置2個(gè)箱式變電站。根據(jù)車輛參數(shù)、列車編組、發(fā)車間隔、供電軌、牽引變電所間距等參數(shù)，在筆者開發(fā)的PSSC 2016 V 1.0.Net軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖4所示。依據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，選定了牽引變電所的容量(見表9)。

2.5 電力監(jiān)控系統(tǒng)

由于黃帝陵觀光線牽引變電所距車站較遠(yuǎn)，手動(dòng)分合閘操作不便，所以需設(shè)置電力監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)。黃帝陵觀光線屬于觀光旅游線路，對(duì)于SCADA系統(tǒng)要求較為簡(jiǎn)單，具備遙控、遙測(cè)、遙信的功能即可。SCADA系統(tǒng)由服務(wù)器、智能測(cè)量?jī)x表、保護(hù)裝置、操作軟件等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖4 仿真計(jì)算軟件計(jì)算結(jié)果圖

牽引變電所編號(hào)牽引變電所位置牽引變電所容量/(kVA)自用變電所容量/(kVA)1K 0+3001 2503152K 2+0071 0001003K 3+4201 0001004K 5+4351 250315

2.6 短路計(jì)算

直流側(cè)穩(wěn)態(tài)短路計(jì)算是牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)，是確定直流保護(hù)整定值等參數(shù)的重要依據(jù)，對(duì)觀光線1#、2#牽引變電所進(jìn)行直流側(cè)穩(wěn)態(tài)短路計(jì)算。取一次側(cè)短路容量為150 MVA，雙邊供電仿真結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，短路電流隨著距離的增大而減小。牽引變電所提供的最大短路電流值為15.588 kA，該值出現(xiàn)在變電所端口附近；最小短路電流值出現(xiàn)在相鄰變電所附近，為5.312 kA。

圖5 SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖6 牽引變電所直流側(cè)穩(wěn)態(tài)短路仿真計(jì)算結(jié)果

3 結(jié)語

利用筆者開發(fā)的PSSC 2016 V 1.0.Net軟件，對(duì)黃帝陵觀光線的牽引供電系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算。依據(jù)仿真結(jié)果及工程特點(diǎn)，提出了合理的方案，完成了黃帝陵觀光線牽引供電系統(tǒng)各部分的初步設(shè)計(jì)。對(duì)于今后國(guó)內(nèi)景區(qū)觀光線供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有較好的借鑒意義。